Física

Explican la inesperada conductibilidad del silicio a escala nanométrica


Un equipo dirigido por los profesores del CE (College of Engineering) Paul Evans, Irena Knezevic y Max Lagally, y el profesor de física Mark Ericsson, ha resuelto este misterio. Han demostrado que cuando la superficie de silicio a escala nanométrica se limpia de modo especial, la propia superficie facilita el flujo de la corriente en capas delgadas que ordinariamente no conducirían. De hecho, la conductibilidad en la escala nanométrica es del todo independiente de las impurezas agregadas, o dopantes, que normalmente determinan las propiedades eléctricas del silicio, según informan los investigadores.

Los resultados implican que los robustos conceptos, métodos e instrumentos de la electrónica del silicio, desarrollados por los científicos y la industria de los semiconductores durante décadas, también pueden ser usados para explorar el nanomundo.

El equipo estaba estudiando sustratos de silicio sobre aislante, en los que una oblea de silicio de medio milímetro de espesor se cubre con una capa mucho más delgada de óxido de silicio aislante. A su vez, otra capa de silicio se superpone a la capa de óxido. En la investigación de la Universidad de Wisconsin-Madison, esta capa superior era una "nanomembrana" de sólo 10 nanómetros de espesor (o una millonésima de centímetro). Pero, como toda pieza de silicio, apareció de manera natural otra capa no deseada de óxido en la superficie al ser expuesta al aire. El método usual para eliminarla, calentar el material a más de 1.200 grados Celsius, produce la destrucción de la nanomembrana. Lo que Zhang desarrolló originalmente fue un método para quitar el óxido de la capa superior sin causar este daño. Bajo condiciones de vacío extremo, depositó lentamente varias capas adicionales de silicio o de germanio, cada una de sólo un átomo de espesor, a 700 grados C.

Conductividad nanométrica silicio
Max Lagally. (Foto: Universidad de Wisconsin-Madison )
El examen por microscopía STM pronto reveló que este proceso permitió de algún modo que la nanomembrana condujera electricidad. Para averiguar por qué, el equipo analizó la resistencia (la propiedad inversa a la conductividad) de las capas de silicio con espesor entre 15 y 200 nanómetros. Más importante aún, compararon la resistencia del silicio cuando se encuentra intercalado entre dos capas de óxido (el caso usual cuando se limpia el óxido de la capa superior por medio del método de Zhang). Knezevic creó un modelo para la predicción de la resistencia como función del espesor de la capa en ambas situaciones.

El modelo de Knezevic indica que en capas de espesores menores de 100 nanómetros, las propiedades intrínsecas del silicio resultan irrelevantes; lo determinante son las características de la superficie. Incluso en capas relativamente espesas de 200 nanómetros, el silicio limpio de óxido de la capa superior era por lo menos 10 veces más conductivo que el silicio intercalado entre las capas de óxido. A medida que el espesor de la capa disminuía, esta diferencia creció hasta seis órdenes de magnitud.



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